一款電機(jī)保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了一款空壓機(jī)電機(jī)保護(hù)模塊，該保護(hù)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)空壓機(jī)電機(jī)的各種工作參數(shù)，對(duì)各種故障信號(hào)進(jìn)行報(bào)警并根據(jù)故障類(lèi)別實(shí)現(xiàn)保護(hù)等功能，最后將信息通過(guò)RS-485總線傳輸?shù)焦芾碇行挠?jì)算機(jī)。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)；電機(jī)保護(hù)模塊；RS-485總線

引言

電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、機(jī)械特性好、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)作為空壓機(jī)主要的動(dòng)力來(lái)源，其可靠性和安全性直接影響空壓機(jī)的運(yùn)行，研究有效的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法，是減小生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)損失，提高經(jīng)濟(jì)效益必須解決的問(wèn)題之一，從某種程度上講，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)、控制與電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造同等重要。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電機(jī)保護(hù)模塊是要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的全面保護(hù)，它的基本功能包括：過(guò)載保護(hù)、缺相保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)/欠壓保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、相序保護(hù)、電機(jī)過(guò)熱保護(hù)、漏電保護(hù)。另外保護(hù)模塊還能實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)設(shè)置功能、顯示功能和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的功能即通信功能。

根據(jù)保護(hù)模塊要實(shí)現(xiàn)的功能，整個(gè)模塊主要分為三部分：信號(hào)檢測(cè)；根據(jù)檢測(cè)各類(lèi)信號(hào)的結(jié)果進(jìn)行輸出控制、報(bào)警和顯示等；最后將結(jié)果傳輸?shù)焦芾碇行挠?jì)算機(jī)。另外有些輔助電路部分像時(shí)鐘、存儲(chǔ)、電源等電路。電機(jī)保護(hù)模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 信號(hào)檢測(cè)

電機(jī)保護(hù)模塊在電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載、缺相、短路、過(guò)壓、欠壓、三相不平衡、漏電等情況下，予以報(bào)警和保護(hù)，以提高電機(jī)的運(yùn)行可靠性，減少損失。本模塊還能檢測(cè)外圍傳感元件：油過(guò)濾器、油細(xì)分離器、潤(rùn)滑油、環(huán)境溫度等，它們影響著空壓機(jī)的運(yùn)行。

1.2 顯示、報(bào)警及控制輸出

鍵盤(pán)和顯示是現(xiàn)場(chǎng)工作人員與系統(tǒng)之間信息交換的平臺(tái)，本模塊選用獨(dú)立式鍵盤(pán)電路，共有四個(gè)按鍵：功能鍵、加鍵、減鍵和復(fù)位鍵。當(dāng)電機(jī)處于正常狀態(tài)沒(méi)有故障，并且沒(méi)有按鍵操作時(shí)，液晶顯示主畫(huà)面即電壓電流和各參數(shù)，按功能鍵進(jìn)行信息查詢(xún)或參數(shù)設(shè)置，加鍵和減鍵可進(jìn)行上下頁(yè)面切換，復(fù)位鍵主要對(duì)液晶顯示器進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)電機(jī)有故障時(shí)液晶顯示各故障信息：故障類(lèi)別和故障發(fā)生的時(shí)間。此外，本模塊還具有報(bào)警指示的顯示，即故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警指示燈點(diǎn)亮。

控制輸出的作用是當(dāng)保護(hù)模塊檢測(cè)到故障后，保護(hù)電機(jī)，使其跳閘。

1.3 時(shí)鐘電路

保護(hù)模塊需要準(zhǔn)確記錄故障發(fā)生的時(shí)間、故障的類(lèi)別等信息，因此還需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。本模塊選用的是一款擁有I2C接口和溫度補(bǔ)償功能的新型實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX8025-T，它內(nèi)部集成32.768KHz溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，可用于各種需要高精度時(shí)鐘的場(chǎng)合。

1.4 存儲(chǔ)電路

現(xiàn)場(chǎng)的空壓機(jī)參數(shù)和外部工藝元件運(yùn)行的累計(jì)時(shí)間等都必須保存。本保護(hù)模塊選用256Kbit位非易失性鐵電存儲(chǔ)器FM25W256，它具有高速串行外設(shè)接口SPI，高耐久性讀/寫(xiě)達(dá)100億次，功耗低，寬電壓操作（2.7V-5.5V）等特點(diǎn)。

1.5 電源電路

直流電源是為其他電子設(shè)備供給能量的裝置，在電子設(shè)計(jì)中必不可少。本模塊的電源供給是由交流電經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后形成的直流電源。為避免外信號(hào)對(duì)本系統(tǒng)串入干擾信號(hào)，并消除共模電壓的影響，各種信號(hào)檢測(cè)部分、通信電路部分、輸出控制部分均采用光耦與CPU部分的電路進(jìn)行隔離，光耦兩側(cè)的電源和地來(lái)自不同的輸入，電源的輸入端選用低通濾波器和穩(wěn)壓措施，由于外部干擾源總是通過(guò)端子傳入的，所以可在每一外接端子上對(duì)接一電容，為了避免浪涌擊穿，該電容要能耐高壓，并在各主要器件的電源和地引腳之間加耦合電容進(jìn)行濾波。

1.6 通信電路

保護(hù)模塊具有RS-485接口，有將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳的功能，本模塊采用的是性?xún)r(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低功耗收發(fā)器MAX485，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。MAX485的驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制， 可以實(shí)現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過(guò)熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開(kāi)路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出，有較高的抗干擾性能。

2 軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)保護(hù)模塊的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電壓電流，當(dāng)電壓電流值超過(guò)額定值的多少倍時(shí)，即可判斷為某一類(lèi)型的故障，通過(guò)判斷故障類(lèi)型通知各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，然后完成顯示、報(bào)警指示和通信。所以軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、各部分子程序和通信程序構(gòu)成。

主程序包括初始化、自檢、命令的接收和執(zhí)行等功能，初始化主要是各數(shù)據(jù)、參數(shù)、各部分電路的初始化。初始化完成后要對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自檢，根據(jù)自檢的結(jié)果分別進(jìn)行處理，如果電機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下有故障，要根據(jù)故障類(lèi)別做出保護(hù)，拒絕起車(chē)，若沒(méi)有故障則可進(jìn)行下一輪的自檢。在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，通過(guò)不斷檢測(cè)電機(jī)的電壓電流，當(dāng)其在設(shè)定的算法內(nèi)超過(guò)額定值的規(guī)定倍數(shù)時(shí)，保護(hù)模塊輸出控制信號(hào)使繼電器吸合，電機(jī)跳閘從而起到保護(hù)電機(jī)的目的，如果沒(méi)有故障就進(jìn)入下一輪的檢測(cè)。

其他各部分子程序是指液晶顯示程序部分、報(bào)警指示燈部分、各外圍傳感元件動(dòng)作部分。同時(shí)在定時(shí)中斷服務(wù)子程序中完成通信功能，電機(jī)保護(hù)模塊的通信程序部分在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中起著承上啟下的作用，它首先要把模塊采集到的各種信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)以備存儲(chǔ)和查詢(xún)使用，還要完成從計(jì)算機(jī)傳輸命令的功能以告訴電機(jī)保護(hù)模塊該執(zhí)行哪些行為。

電機(jī)保護(hù)模塊的主程序流程圖如圖2所示。

考慮到工作環(huán)境的影響，避免引起誤動(dòng)作，在程序設(shè)計(jì)中對(duì)電壓電流的測(cè)量采用了一些濾波算法，我們首先根據(jù)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)和額定值計(jì)算出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，然后在采樣中連續(xù)采集8次數(shù)據(jù)（可以根據(jù)需要多采集幾次數(shù)據(jù)），將波動(dòng)最大（異常數(shù)據(jù)）的兩個(gè)數(shù)據(jù)除去，最后對(duì)剩下的數(shù)據(jù)取平均值作為一次采集數(shù)據(jù)。由于一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間為幾微秒，8次連續(xù)采集和上述濾波處理仍然只有不到毫秒級(jí)的時(shí)間，完全滿(mǎn)足測(cè)量的需要。

對(duì)所有外圍傳感元件的測(cè)量，由于都是無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)，一般干擾的時(shí)間短，程序中采用了簡(jiǎn)單的做標(biāo)志位的濾波方法，程序初始化時(shí)標(biāo)志位全部置0，當(dāng)采集到報(bào)警后，首先判斷標(biāo)志位的值，如果是1，則做出報(bào)警處理的響應(yīng)，如果是0，則先將標(biāo)志位置1，待下次采集到報(bào)警后，再作處理，如果下次正常，則將標(biāo)志位置0。

3 結(jié)束語(yǔ)

本保護(hù)器經(jīng)考察、論證和研制，具有工作可靠、功能齊全、使用方便等特點(diǎn)，有一定的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：姜偉（1981-），男，大學(xué)本科，助理工程師，山東煙臺(tái)人，現(xiàn)就職于煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司。